一种大样量页岩等温吸附及解吸装置的制作方法

本发明属于吸附气量测量领域，特别涉及一种大样量页岩等温吸附及解吸装置。

背景技术：

目前，气体等温吸附及解吸曲线的测量有体积法和重量法两大类。其中，容积法根据气体波义耳定律和质量守恒定律来计算吸附量，重量法是根据吸附前后样品的重量变化来计算吸附量。

由于页岩气的吸附能力相比于煤和活性炭小很多，因此测量页岩的等温吸附及解吸曲线时容易产生较大误差，严重影响实验结果。因此要提高测量的准确度需要提高样品的重量，从而提高样品的总吸附气量来减少实验误差。除了实验精度之外，由于有些页岩气藏的温度和压力非常高，通过Langmuir方程将较低温度和压力条件下的吸附曲线进行外推获得地层温度和压力条件下的等温吸附及解吸曲线是不正确的，因此要想获得实际地层温度和压力条件下的页岩等温吸附及解吸曲线需要通过实验装置进行实验测量得到，实验装置在高温和高压条件下的密封性也是需要解决的一个技术难题。

目前国内的等温吸附仪器还不能满足这两方面的要求。如何设计一款误差小、耐高温和高压的页岩等温吸附及解吸实验装置，就成为本发明想要解决的问题。

有鉴于此，本发明人根据多年从事本领域和相关领域的生产设计经验，研制出一种大样量页岩等温吸附及解吸装置，以期解决现有技术存在的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是在于提供一种大样量页岩等温吸附及解吸装置，在温度稳定的环境下进行实验，保证了实验的准确性，精度高，且数据为自动采集，实验结果可靠。

为此，本发明提出一种大样量页岩等温吸附及解吸装置，其包括CH4气瓶、He气瓶、气体加压装置、气体净化器、真空泵、恒温箱、参照缸、样品缸、压力表、数据采集装置及三个多通道阀门，所述恒温箱内设置有温度传感器、两压力传感器、所述参照缸以及所述样品缸，所述数据采集装置与所述温度传感器及压力传感器电连接；

其中，所述气体净化器的入口与所述气体加压装置的输出端之间、第一个所述多通道阀门与所述参照缸及其中一所述压力传感器之间、第二个所述多通道阀门与所述样品缸及另一所述压力传感器之间、第三个所述多通道阀门与所述压力表之间分别通过管线相连接；

其中，所述气体加压装置的输入端与所述CH4气瓶及所述He气瓶之间、第三个所述多通道阀门与所述真空泵以及所述气体净化器的出口之间、第一个所述多通道阀门与其余两所述多通道阀门之间分别通过输气管线相连接，所述输气管线上设置有阀门。

如上所述的大样量页岩等温吸附及解吸装置，其中，所述气体加压装置为一加压泵。

如上所述的大样量页岩等温吸附及解吸装置，其中，所述气体加压装置包括一加压泵及一压缩机，所述加压泵对应与所述CH4气瓶、He气瓶以及所述气体净化器相连接，所述压缩机通过压缩管线与所述加压泵的入口端相连接。

如上所述的大样量页岩等温吸附及解吸装置，其中，第三个所述多通道阀门与所述真空泵之间的输气管线上另连接有一排气管线，所述排气管线上安装有一排气阀门。

如上所述的大样量页岩等温吸附及解吸装置，其中，另包括一用于将样品粉碎的岩石破碎机以及一用于称量样品重量的电子天平。

如上所述的大样量页岩等温吸附及解吸装置，其中，所述样品缸为容积是2L的样品缸。

如上所述的大样量页岩等温吸附及解吸装置，其中，所述数据采集装置为一电脑，其与所述压力传感器及温度传感器之间通过线缆电连接。

如上所述的大样量页岩等温吸附及解吸装置，其中，所述恒温箱的侧壁上设有供所述管线穿设的穿孔。

如上所述的大样量页岩等温吸附及解吸装置，其中，所述参照缸及样品缸分别包括一不锈钢制成的缸体以及一缸帽，所述缸体的缸口处设置有内螺纹，所述缸帽对应螺接在所述缸口处，所述缸帽上设置有供所述管线对应穿设的通孔。

如上所述的大样量页岩等温吸附及解吸装置，其中，第一个所述多通道阀门及第二个所述多通道阀门位于所述恒温箱内，第三个所述多通道阀门位于所述恒温箱外。

本发明提出的大样量页岩等温吸附及解吸装置，通过设置恒温箱，可以保持样品缸和参照缸在实验过程中处于恒温状态，是实验在一个温度稳定的环境下进行，保证了实验的准确性；通过设置数据采集装置、压力传感器和温度传感器，精度高，且数据为自动采集，实验结果更加可靠。

与现有等温吸附及解吸实验装置相比，本发明通过恒温箱、参照缸及样品缸相配合，能耐高温高压，测试压力可达80MPa，测试温度可达180℃，高于国内实验设备；现有实验装置测试样品质量一般在200g，而本发明测试的样品质量大，可达到5千克～6千克，实验样品的增加可以增加样品的总吸附量，降低实验的误差。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1为本发明的大样量页岩等温吸附及解吸装置的组成结构示意图。

图2为根据本发明所测得的等温吸附曲线示意图。

主要元件标号说明：

11 CH4气瓶 12 He气瓶

13 管线 14 输气管线

15 排气管线 151 排气阀门

2 气体加压装置 21 加压泵

22 压缩机 3 气体净化器

4 真空泵 5 恒温箱

51 温度传感器 52 压力传感器

61 参照缸 62 样品缸

63 压力表 7 数据采集装置

81、82、83 多通道阀门

91、92、93、94、95、96 阀门

具体实施方式

本发明提出一种大样量页岩等温吸附及解吸装置，其包括CH4气瓶、He气瓶、气体加压装置、气体净化器、真空泵、恒温箱、参照缸、样品缸、压力表、数据采集装置及三个多通道阀门，所述恒温箱内设置有温度传感器、两压力传感器、所述参照缸以及所述样品缸，所述数据采集装置与所述温度传感器及压力传感器电连接；其中，所述气体净化器的入口与所述气体加压装置的输出端之间、第一个所述多通道阀门与所述参照缸及其中一所述压力传感器之间、第二个所述多通道阀门与所述样品缸及另一所述压力传感器之间、第三个所述多通道阀门与所述压力表之间分别通过管线相连接；其中，所述气体加压装置的输入端与所述CH4气瓶及所述He气瓶之间、第三个所述多通道阀门与所述真空泵以及所述气体净化器的出口之间、第一个所述多通道阀门与其余两所述多通道阀门之间分别通过输气管线相连接，所述输气管线上设置有阀门。

本发明的大样量页岩等温吸附及解吸装置，在温度稳定的环境下进行实验，保证了实验的准确性，精度高，且数据为自动采集，实验结果可靠。

为此，为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下结合附图及较佳实施例，对本发明提出的大样量页岩等温吸附及解吸装置的具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。另外，通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入具体的了解，然而所附图仅是提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

图1为本发明的大样量页岩等温吸附及解吸装置的组成结构示意图。图2为根据本发明所测得的等温吸附曲线示意图。

如图1所示，本发明提出的大样量页岩等温吸附及解吸装置，包括CH4气瓶11、He气瓶12、气体加压装置2、气体净化器3、真空泵4、恒温箱5、参照缸61、样品缸62、压力表63、数据采集装置7及三个多通道阀门81、82、83，所述恒温箱5内设置有温度传感器51、两压力传感器52、所述参照缸61以及所述样品缸62，所述数据采集装置8与所述温度传感器51及压力传感器52电连接；

其中，所述气体净化器3的入口与所述气体加压装置2的输出端之间、第一个所述多通道阀门81与所述参照缸61及其中一所述压力传感器52之间、第二个所述多通道阀门82与所述样品缸62及另一所述压力传感器52之间、第三个所述多通道阀门83与所述压力表63之间分别通过管线13相连接；

其中，所述气体加压装置2的输入端与所述CH4气瓶11及所述He气瓶12之间、第三个所述多通道阀门83与所述真空泵4以及所述气体净化器3的出口之间、第一个所述多通道阀门81与其余两所述多通道阀门82、83之间分别通过输气管线14相连接，所述输气管线14上设置有阀门。

如图1所示，所述气体加压装置2包括一加压泵21及一压缩机22，所述加压泵21对应与所述CH4气瓶11、He气瓶12以及所述气体净化器3相连接，所述压缩机22通过压缩管线23与所述加压泵21的入口端相连接。在实验中，通过上述装置，可对CH4以及He气进行压缩、净化，以满足使用需要。当然，在使用中不限于此，比如，所述气体加压装置2可直接为一加压泵。

较佳地，第三个所述多通道阀门83与所述真空泵4之间的输气管线14上另连接有一排气管线15，所述排气管线15上安装有一排气阀门151。在实验结束后，打开排气阀门151及各相关阀门，可以将各管线、样品缸以及参照缸内的残留气体排出，确保使用安全。

其中，在本发明中，还包括一用于将样品粉碎的岩石破碎机(图中未示出)以及一用于称量样品重量的电子天平，可以将样品(岩石)粉碎，并通过电子天平精准计量，提高实验的精准性。

较佳地，所述数据采集装置7为一电脑，其与所述压力传感器52及温度传感器51之间通过线缆71电连接。对于压力传感器及温度传感器的相应信号能实时传输、记录等，实现全自动化处理，避免因人工操作产生的误差。

另外，所述样品缸优选为容积是2L的大样量样品缸，可以容纳更多重量的样品，利于加快实验进度，降低实验的误差。为了便于管线的通过，优选在所述恒温箱5的侧壁上设有供所述管线穿设的穿孔(图中未示出)。

为了提供实验中的密封性能，所述参照缸61及样品缸62分别包括一不锈钢制成的缸体以及一缸帽，所述缸体的缸口处设置有内螺纹，所述缸帽对应螺接在所述缸口处，所述缸帽上设置有供所述管线对应穿设的通孔。通过缸口、缸帽之间的螺纹配合，实现了两者间的紧密连接，由于该缸体、缸帽，其结构大致与现有技术相同，因此未在图中示出。

如图所示，第一个所述多通道阀门81及第二个所述多通道阀门82位于所述恒温箱5内，第三个所述多通道阀门86位于所述恒温箱外。

结合图1所示，为本发明提供的大样量页岩等温吸附及解吸装置，为便于下述理解，将图中各所述阀门由左至右依次标示为91、92、93、94、95、96，现就本发明的工作原理及具体操作步骤描述如下：

(1)设备密封性检查

①粉碎后的页岩样品称重后放入所述样品缸62，密封后放入所述恒温箱5，气体吸附量是通过所述参照缸61和样品缸62的压力与温度精确计量数据计算得到；

②打开阀门92、94、95、96和多通道阀门81、82、83，将所述参照缸61和样品缸62中充入He气当压力达到一定值后，关闭阀门92和94；

③保持6h(小时)后，通过数据采集装置7以及压力传感器52等观察缸中的压力是否有明显变化：若有，则需检测设备漏气与否；若无，则重复步骤②，继续给缸中充入He气增加压力，直至充气压力达到实验所需最高压力。

(2)样品缸自由体积测定

在本发明中，样品缸自由体积指的是样品缸在装入碎页岩样后页岩样颗粒之间的空隙、页岩样颗粒内部空隙、样品缸未被岩样填充剩余的自由空间、多通道阀门82和样品缸62连接的管线、多通道阀门81、82间连接的管线、多通道阀门82和阀门96内部空间体积总和。目前通常采用直接法来测量样品缸自由空间体积，即在一定的温度和压力下，选用可以忽略吸附量的He气，利用气体膨胀法来测量样品缸自由体积，其方法步骤如下：

1)设定好系统温度，将页岩样品装入样品缸62，打开阀门93、95、96、多通道阀门81、82、83(后续所有步骤中多通道阀门81、82、83一直保持开启状态)，将包括参照缸61、样品缸62和所连接的管线在内的系统抽真空120min，在压力无明显变化后，关闭阀门93、96，记录此时参照缸61与样品缸62的压力p₁；

2)打开阀门92、94，将一定压力且纯度＞99.999％的He气充入参照缸61，然后关闭阀门92、94、95，等到参照缸61的压力与温度稳定后，记录参照缸的压力p₂用来计算定容条件下参照缸61内He的体积；打开阀门96，让参照缸61的He气进入到样品缸62中，平衡后记录参照缸61和样品缸62的压力p₃，假设He气在页岩表面吸附量可以忽略，通过样品缸62的气体状态方程，可以得到计算样品缸62的自由空间体积表达式为：

式中：V₀—自由空间体积，cm³；V_r—参照缸体积、多通道阀门96和参照缸连接的输气管线、多通道阀门96内空间体积之和，该值是通过体积标定后的固定值，cm³；p₁—样品缸的初始压力，MPa；p₂—参照缸的初始压力，MPa；p₃—平衡后参照缸的压力，MPa；Z₁—样品缸中初始压力下He气的压缩因子，无量纲；Z₂—参照缸初始压力下He气的压缩因子，无量纲；Z₃—平衡后气体的压缩因子，无量纲。

3)重复步骤2，依次增加参照缸61压力直至所需测量的最高压力，每次计算得到的自由空间体积误差小于1％，说明氦气的吸附量可以忽略的假设是成立的。

(3)页岩等温吸附及解吸实验

1)等温吸附实验

等温吸附实验为加压、平衡、加压的一个过程，步骤如下：

(i)设定实验系统的温度，打开阀门93、94、95、96，将包括参照缸61和样品缸62以及所连接的管线在内的吸附系统抽真空120 min，关闭阀门93、94、96；

(ii)打开阀门91，94，给参照缸61充入甲烷气(纯度>99.99％)后，关闭阀门91，95，记录平衡后参照缸压力p₁⁰；通过气体状态方程来计算整个系统中充入的甲烷气量n₁⁰。

式中：n₁⁰—整个系统中充入的甲烷气量，mol；T—系统温度，K；V_r—参照缸及其连接的管线内标准体积，cm³；p₁⁰—平衡后参照缸压力，MPa；Z₁⁰-p₁⁰压力、温度T下甲烷的压缩因子；R—普适气体常数，8.315Jmol^-1K^-1；

(iii)缓慢打开阀门96，使得参照缸61和样品缸62相互连通，此时甲烷气从参照缸61向样品缸62膨胀，同时记下参照缸61和样品缸62平衡后的压力；

(iv)保持12h以上，使甲烷气体被页岩充分吸附，记录最终的平衡压力p₁。然后计算系统内剩余游离甲烷气量n₁，被页岩吸附的甲烷气量N₁、单位质量页岩所吸附得甲烷气量Q₁。

计算公式如下：

式中：n₁—平衡后系统内游离甲烷气量，mol；Z₁—压力为p1、温度为T时甲烷压缩因子；无量纲；Q₁—单位质量页岩在此平衡压力p₁时的吸附量，cm³/g，G为页岩样品质量，g。

(v)关闭阀门96，打开阀门91、95后关闭，参照缸第二次充气，记录平衡后参照缸压力p₂⁰。打开阀门96，保持12h以上，记录最终平衡后的压力p₂。求得压力为p₂时的吸附量N₂以及每克页岩吸附甲烷量Q₂：

式中：p₂⁰—第二次充气后参照缸压力，MPa；p₂—第二次充气后平衡压力，MPa；Z₂⁰-p₂⁰、T条件下甲烷压缩因子，查表求得；Z₂—p₂、T条件下甲烷压缩因子；

(vi)重复(v)，不断提高实验压力，直至达到实验所要求的最高压力，分别计算每一个压力点p_i下页岩样吸附量N_i和单位质量页岩甲烷吸附量Q_i；

(vii)将每次测得的p_i及N_i作图，即为页岩的等温吸附曲线(参见图2)。求得各平衡压力点p_i下吸附量V_i＝N_i×22400。

2)等温解吸实验

等温解吸实验为吸附实验的逆过程，从等温吸附实验的最大平衡压力开始解吸实验，其步骤如下：

(i)关闭阀门96，缓慢打开阀门95和151，放出部分甲烷，然后关闭阀门95，记录参照缸61平衡后压力p_i-1⁰；

(ii)缓慢打开阀门96，连通参照缸61和样品缸62，保持12h以上，记录平衡后系统压力p_i-1。计算压力点p_i-1下的甲烷吸附量N_i-1、压力p_i～p_i-1页岩样解吸出的甲烷量ΔN_i、单位质量页岩在压力P_i～P_i-1内的解吸量ΔQ_i：

(iii)重复步骤(i)、(ii)，逐渐降低实验压力直到等温吸附实验的初始压力。计算解吸过程每一个平衡压力点p_i下对应页岩样吸附量N_i和每克页岩减压段内甲烷解吸量ΔQ_i；

(iv)将测得的p_i及N_i作图，即为页岩的等温解吸曲线。

3)压缩因子计算

在气体吸附量计算过程中，压缩因子Z直接影响计算的准确性，Z由求解PR方程得到：

其中：

b＝0.07780RT_c/p_c

k＝0.3746+1.54226ω-0.26992ω²

PR方程写成压缩因子的形式为：

Z³-(1-D)Z²+(C-2D-3D²)Z-(CD-D²-D³)＝0

式中：

α(T)计算方法如下：

其中：A₁、B₁、C₁、D₁、E₁是相关系数。A₁、B₁、C₁、D₁、E₁分别可取为2.0、0.8145、0.134、0.508、-0.0467，偏心因子取值为0.0113

T为温度，K；p为压力，MPa；Tc为气体临界温度，K；Pc为气体临界压力，MPa；ω为气体的偏心因子，kJ/(kg·℃)；对于甲烷气体：Tc＝190.67K；Pc＝4.6408MPa；ω＝0.0113。

本发明提出的大样量页岩等温吸附及解吸装置，通过设置恒温箱，可以保持样品缸和参照缸在实验过程中处于恒温状态，是实验在一个温度稳定的环境下进行，保证了实验的准确性；通过设置数据采集装置、压力传感器和温度传感器，精度高，且数据为自动采集，实验结果更加可靠。

与现有等温吸附及解吸实验装置相比，本发明耐高温高压，测试压力可达80MPa，测试温度可达180℃，高于国内实验设备；现有实验装置测试样品质量一般在200g，而本发明测试的样品质量大，可达到5千克～6千克，实验样品的增加可以增加样品的总吸附量，降低实验的误差。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。